ALMA mengungkap ciri halus materi gelap

Pengamatan perintis mengungkap fluktuasi materi gelap di bawah tingkat galaksi, membenarkan teori materi gelap dingin dan memberikan wawasan baru tentang pembentukan alam semesta.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Kaiki Taro Inoue di Universitas Kindai (Osaka, Jepang) telah mendeteksi fluktuasi distribusi materi gelap di alam semesta pada skala yang lebih kecil dari galaksi masif menggunakan interferometer radio paling kuat di dunia, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array .Array).Alma), terletak di Republik Chili.

Ini adalah pertama kalinya fluktuasi spasial materi gelap terdeteksi di alam semesta jauh dalam skala 30 ribu tahun cahaya. Hasil ini menunjukkan materi gelap yang dingin^[1] Hal ini lebih baik dilakukan bahkan pada skala yang lebih kecil dari galaksi masif, dan merupakan langkah penting menuju pemahaman sifat sebenarnya dari materi gelap. Artikel akan diterbitkan di itu Jurnal Astrofisika.

Gambar 1. Fluktuasi terdeteksi dalam materi gelap. Warna jingga yang lebih terang menunjukkan daerah dengan kepadatan materi gelap yang tinggi, dan warna oranye yang lebih gelap menunjukkan daerah dengan kepadatan materi gelap yang rendah. Warna putih dan biru mewakili objek berlensa gravitasi yang diamati oleh ALMA. Sumber: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue dkk.

poin utama

• Pengamatan oleh salah satu interferometer gelombang radio terbesar di dunia ALMA, sebuah proyek internasional.
• Deteksi pertama fluktuasi materi gelap di alam semesta pada skala kurang dari 30 ribu tahun cahaya.
• Sebuah langkah penting menuju klarifikasi sifat sebenarnya dari materi gelap.

ALMA mendeteksi fluktuasi skala kecil dalam distribusi materi gelap

Materi gelap, materi tak terlihat yang menyusun sebagian besar massa alam semesta, diperkirakan memainkan peran penting dalam pembentukan struktur seperti bintang dan galaksi.^[2] Karena materi gelap tidak terdistribusi secara merata di ruang angkasa tetapi terdistribusi dalam gumpalan, gravitasinya dapat sedikit mengubah jalur cahaya (termasuk gelombang radio) yang datang dari sumber cahaya jauh. Pengamatan terhadap efek ini (pelensaan gravitasi) menunjukkan bahwa materi gelap dikaitkan dengan galaksi dan gugus galaksi yang relatif masif, namun bagaimana materi gelap didistribusikan dalam skala yang lebih kecil belum diketahui.

Tim peneliti memutuskan untuk menggunakan ALMA untuk mengamati objek yang berjarak 11 miliar tahun cahaya dari Bumi. Objeknya adalah quasar berlensa,^[3] MG J0414+0534^[4] (selanjutnya disebut sebagai “quasar ini”).

Quasar ini tampaknya memiliki gambar segi empat karena efek pelensaan gravitasi galaksi latar depan. Namun, posisi dan bentuk gambar tampak ini berbeda dari yang dihitung hanya dari efek pelensaan gravitasi galaksi latar depan, sehingga menunjukkan bahwa efek pelensaan gravitasi dari distribusi materi gelap pada skala yang lebih kecil dari galaksi masif sedang terjadi.

Gambar 2: Diagram konseptual sistem lensa gravitasi MG J0414+0534. Objek di tengah gambar menunjukkan galaksi lentikular. Oranye menunjukkan materi gelap di ruang antargalaksi, dan kuning pucat menunjukkan materi gelap di galaksi lentikular. Kredit: NAOJ, KT Inoue

Ditemukan bahwa terdapat fluktuasi spasial dalam kepadatan materi gelap bahkan pada skala sekitar 30 ribu tahun cahaya, yang jauh lebih kecil daripada skala kosmik (beberapa puluh miliar tahun cahaya). Hasil ini konsisten dengan prediksi teoretis materi gelap dingin, yang memperkirakan bahwa gumpalan materi gelap tidak hanya ada di dalam galaksi (kuning pucat pada Gambar 2), tetapi juga di ruang antargalaksi (oranye pada Gambar 2).

Efek pelensaan gravitasi dari gumpalan materi gelap yang ditemukan dalam penelitian ini sangat kecil sehingga sangat sulit untuk dideteksi sendiri. Namun, berkat efek pelensaan gravitasi yang disebabkan oleh galaksi latar depan dan resolusi ALMA yang tinggi, kami dapat mendeteksi efek tersebut untuk pertama kalinya. Oleh karena itu, penelitian ini merupakan langkah penting untuk memverifikasi teori materi gelap dan memperjelas sifat aslinya.

Penelitian ini disajikan dalam makalah berjudul “ALMA pengukuran spektrum daya lensa pada 10 kpc terhadap lensa quasar MG J0414+0534” oleh KT Inoue dkk. Dalam Jurnal Astrofisika.

Catatan

1. Materi gelap yang dingin
   Ketika alam semesta mengembang, kepadatan materi berkurang, sehingga partikel materi gelap (materi tak terlihat oleh cahaya) tidak lagi bertemu dengan partikel lain dan akan memiliki gerak independen yang berbeda dengan gerak materi biasa. Dalam hal ini, partikel materi gelap yang bergerak dengan kecepatan jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya dibandingkan materi biasa disebut materi gelap dingin. Karena kecepatannya yang rendah, mereka tidak memiliki kemampuan untuk menghapus struktur berskala besar di alam semesta.
2. Pembentukan struktur di alam semesta
   Di alam semesta awal, bintang dan galaksi diperkirakan terbentuk akibat pertumbuhan gravitasi fluktuasi kepadatan materi gelap, dan akumulasi hidrogen dan helium yang tertarik ke gumpalan materi gelap. Distribusi materi gelap pada skala yang lebih kecil dari galaksi masif masih belum diketahui.
3. Kuasar
   Quasar adalah wilayah pusat galaksi yang kompak dan memancarkan cahaya yang sangat terang. Gabungan area dan sekitarnya mengandung sejumlah besar debu yang memancarkan gelombang radio.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 terletak di arah konstelasi Taurus jika dilihat dari Bumi. Pergeseran merah (pertambahan panjang gelombang cahaya dibagi panjang gelombang semula) benda ini adalah z=2,639. Jarak yang sesuai diasumsikan 11 miliar tahun cahaya, dengan mempertimbangkan ketidakpastian parameter kosmologis.

Referensi: “Pengukuran ALMA spektrum gaya pelensaan pada 10 kpc terhadap lensa quasar MG J0414+0534” oleh Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita, dan Koichiro Nakanishi, 7 September 2023, Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Pekerjaan ini didukung oleh Grant-in-Aid for Scientific Research dari Japan Society for the Promotion of Science (No. 17H02868, 19K03937), National Astronomical Observatory of Japan ALMA Joint Scientific Research Project 2018-07A, sama dengan ALMA JAPAN Research Fund NAOJ-ALMA-256, dan Taiwan MoST.103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.